小直径敞开式的TBM卡机脱困技术研究

安 仓

（中铁十八局集团隧道工程有限公司，新疆 博乐 833300）

使用TBM（Tunnel Boring Machine，即利用全断面隧道掘进机进行隧道施工）方法进行隧道工程施工，很难避开地质条件较差的区域，较易出现TBM卡机现象，甚至直接导致工程受阻。为解决TBM卡机问题，有关机构制定了多种脱困方案，如直径8.0 m的敞开式TBM在密集地带使用化学灌浆方式对隧道予以加固的方法[1]。采用这种方法虽然可以取得一定的效果，但是对于某些地质状况复杂的工程而言，会有诸多限制。本研究所依托的ABH引水隧洞Ⅳ标项目工程主要位于新疆维吾尔自治区西部，隧洞呈圆形断面，无压流，采用现浇钢筋混凝土衬砌，存在TBM卡机脱困问题，施工方案受到限制，钻孔和灌浆加固方法不能有效实施。基于此，本文提出了小直径敞开式的TBM卡机脱困技术[2]，并结合ABH引水隧洞Ⅳ标项目工程实际，设计了小直径TBM在狭小空间使用钻孔化学管径加固方法快速摆脱TBM卡机的工程方案。

1 TBM卡机脱困技术研究方案

ABH引水隧洞Ⅳ标项目工程2017年2月3日掘进蚀变带，特别是2017年8月1日进入破碎带后，先后出现TBM大小卡机20余次。根据对现有地质资料及历次卡机现象的整理分析，施工人员发现卡机的主要原因是：洞线穿越地层地质构造复杂，硬质岩中夹小颗粒石渣，TBM进入断裂破碎及影响带，在开挖后很短时间内隧洞掌子面失稳，出现坍塌现象，加之断裂带涌水起“催化剂”作用，大量石渣涌入刀盘，主机皮带被压停，积渣将溜渣槽充填密实，刀盘下部刀腔被积渣充填，40%的刀盘空腔被填满，最后导致出渣不及，刀盘无法有效转动，进而造成TBM卡机。因此，为了解决该问题，需对小直径敞开式的TBM卡机脱困技术展开研究[3]。

1.1 前期TBM卡机脱困方案确定

因为停机处理时间较长，受到地下渗水影响，坍塌区域被刀盘反复切割后呈层状连续剥落，松散层岩持续塌方，进而形成较大空腔，导致锚杆前端被压垮，刀盘被松散渣体卡死[4]。为解决这一问题，本文设计了前期TBM卡机脱困方案：

1）崩塌区域喷射钢纤维混凝土。

2）利用手风钻打入直径为25 mm的自进式锚杆，锚杆深度可达到手风钻自掌子面前5～10 m左右，方便做花眼孔化学灌浆。

3）采用聚氨酯类堵水并加固材料，使刀盘上的石渣被固结，进而形成一个壳体结构。

4）采用人工清理方式，清理刀盘内部石渣，方便刀盘随时转动。

5）封闭一般铲斗，减少石渣产出量。

6）使用TH梁配合钢板支护[5]。

根据上述前期TBM卡机脱困方案进行了超前加固行为后，需进行多次刀盘转动，方便对卡机脱困后续方案的实施[6]。

1.2 后期TBM卡机脱困方案确定

在前期脱困方案的基础上，本文设计了后期脱困方案。

1.2.1 后期脱困施工工艺流程

确定后期脱困施工工艺流程如下：

1）施工准备。

2）超前固结围岩。

3）查看刀盘能否发生转动？如果可以转动，则表明TBM成功脱困；如果不可以转动，则表明需要人工清渣。

1.2.2 后期TBM卡机脱困方案

依据后期脱困施工工艺流程，设计了具体脱困方案。

1）超前固结围岩

①刀盘内超前堵水

施工人员通过主梁内主机皮带与主梁人孔进入刀盘内，利用风动凿岩机刀孔和刮渣斗等部位向掌子面进行玻璃纤维自进式中空注浆锚杆施工，并通过化学灌浆泵进行化学灌浆，以固结掌子面塌方体[7]。具体技术要求如表1所示：

表1 刀盘内超前堵水具体技术要求

根据施工角度不同，分区域布置不同长度玻璃纤维锚杆，锚杆施工完成后采用化学灌浆泵进行注浆，在注浆过程中如发现刀盘内有化学灌浆液流入，则采用渣袋封堵。根据掌子面局部出水较多的情况，宜先从无水或少水位置注浆固结，最后采用固结时间较短、发泡倍率较高的堵水材料封堵出水较多的位置。注浆完成后清除刀座内的堵塞物，并切除外露玻璃纤维锚杆[8]。

②防尘盾割孔

为保证不良地质段TBM施工顺利，使用液压钻机经铲斗钻孔实现超前钻孔注浆功能。具体技术要求如表2所示：

表2 防尘盾割孔具体技术要求

自进式中空锚杆采用接杆施工，应根据施工空间尽量减小锚杆外倾角，注浆时如刀盘内出现漏浆，应停止注浆[9]。通过防尘盾处超前化学灌浆对刀盘及掌子面上方的围岩进行加固，尽量减少刀盘转动时掉碴量[10]。

③顶护盾尾部超前固结围岩施工

根据TBM设备护盾尾部施工空间，对顶护盾尾部超前固结围岩进行施工。具体技术要求如表3所示：

表3 顶护盾尾部超前固结围岩施工具体技术要求

根据施工空间，锚杆有效长度应深入护盾中部，尽量减小锚杆外倾角，必要时按照设计通知对拱架腹板进行造孔[11]。如果注浆时出现漏浆，则需立刻停止注浆，通过护盾顶部化学灌浆对护盾上方围岩进行加固，尽量减少刀盘转动时的掉渣量。通过刀盘内与护盾尾部化学灌浆，对前方围岩形成长度约3 m的止浆墙，同时设备上部形成相对稳定自然拱圈，从而起到保护刀盘、防止设备被困的作用[12]。

（2）转动刀盘与人工清渣

掌子面和护盾上方塌落体通过化学灌浆固结后，可尝试采用脱困模式转动刀盘。TBM脱困模式为“电液混合动力”脱困模式，使用2个液压马达和8个电机共同带动刀盘转动，为国内首创。若刀盘转动成功，则TBM卡机脱困成功；若刀盘转动不成功，则进行人工清渣。掌子面和护盾上方塌落体通过化学灌浆固结后，如刀盘未能成功转动，应该是刀盘整体被石渣包裹，局部位置被块石堵塞，导致刀盘启动失败，解决该问题关键在于减少刀盘转动阻力，让刀盘启动后能有从零转速到脱困转速加速空间，降低驱动系统在无实际动作时静止荷载[13]。此时可通过人工清理方式将刀座、刮渣斗等部位渣体全部清理干净，确认刀盘周围无阻碍刀盘转动渣体后，再次转动刀盘实现最终脱困[14]。

1.3 TBM卡机脱困技术的实现

通过对掌子面和护盾顶部塌方体进行固结和对刀盘周围渣体进行清理，启动刀盘并同时强制后退，刀盘脱困成功。脱困扭矩最高达到10000 kNm以上，刀盘转动后，扭矩在6000 kNm～9200 kNm之间跳动[15]。经过一定时间脱困转动，刀盘扭矩逐步下降到5000 kNm左右。但是当刀盘停转较长时间后，频繁出现扭矩剧升至9000 kNm以上的现象。掘进施工过程中应根据实际情况采用正常模式，尽可能提高刀盘转速和推进速度，以控制和减少出渣量。在掘进过程中，应严格控制出渣量，若出渣量超正常掘进渣量1.5倍，立即停止掘进，对掌子面进行固结后再进行掘进。若设备无法在正常状态下掘进，需采用脱困模式施工。掘进中严格遵守“短进尺、紧支护、快推进”的原则，单次掘进长度30 cm（拱架间距为30 cm），尽量使刀盘紧贴掌子面，同时，加强施工管理及设备维护保养工作，减少停机时间，争取TBM快速通过破碎带。

2 实例分析

本文采用实例验证分析法对小直径敞开式TBM卡机脱困技术的合理性展开研究。

2.1 实验条件设置

选择ABH引水隧洞Ⅳ标项目工程作为实验对象，对TBM卡机脱困技术进行验证分析。ABH输水隧洞长41.823 km，最大埋深约2268 m，设计输水流量70 m3/s，洞径5.3 m。该标段采用TBM和钻爆法施工相结合方式，主要工程任务为17.2 km隧洞开挖支护和18.2 km二次衬砌施工。隧洞沿线存在高外水压力与突涌水，隧洞围岩变形大，强岩爆，高地温，穿越大断层破碎带与岩体蚀变破碎带等工程地质问题。

2.2 实验结果与分析

下文将根据条件设置对实验结果进行分析，即分别在隧洞环境影响和人为因素影响条件下，对比分析传统方案和本文设计之小直径敞开式方案。

2.2.1 隧洞环境影响

在隧洞环境影响下，将传统方案和小直径敞开式研究方案进行对比分析，对比结果如图1所示。

图1 两种方案在隧洞环境影响下之研究效果对比分析

由图1可知：无论是在坍塌情况下还是在刀盘涌水情况下两种研究方案的最初研究效果是一致的，只是传统方案研究效果略低一些，但是，随着时间的延长，两种方法研究效果都有所下降。当时间为8：00时，在坍塌情况下和刀盘涌水情况下，传统方案研究效果分别为81%和78%；小直径敞开式研究方案研究效果都为88%。当时间为12：00时，在坍塌情况下和刀盘涌水情况下，传统方案研究效果分别为78%和60%，小直径敞开式研究方案研究效果分别为85%和84%。当时间为16：00时，在坍塌情况下和刀盘涌水情况下，传统方案研究效果分别为70%和50%，小直径敞开式研究方案研究效果分别为84%和78%。当时间为20：00时，在坍塌情况下和刀盘涌水下，传统方案研究效果分别为55%和35%，小直径敞开式研究方案研究效果分别为80%和70%。由此可知，在隧洞环境影响下，小直径敞开式研究方案对TBM卡机脱困技术研究效果较好。

2.2.2 人为因素影响

在人为因素影响下，将传统方案和小直径敞开式研究方案进行对比分析，对比结果如图2所示。

图2 两种方案在人为因素影响下研究效果对比分析

由图2可知：当实验次数为1时，传统方案研究效果为61%，小直径敞开式方案研究效果为66%。当实验次数为3时，传统方案研究效果为48%，小直径敞开式方案研究效果为70%。当实验次数为5时，传统方案研究效果为40%，小直径敞开式方案研究效果为83%。当实验次数为6时，传统方案研究效果为36%，小直径敞开式方案研究效果为85%。由此可知，在人为因素影响下，小直径敞开式研究方案对TBM卡机脱困技术研究效果较好。

2.3 实验结论

根据上述实验内容，可得出实验结论：

在隧洞环境影响下，两种研究方案在坍塌情况下比在刀盘涌水情况下研究效果要好，当时间为16：00时，小直径敞开式研究方案与传统研究方案的研究效果相差最大。在人为因素影响下，当实验次数为5时，小直径敞开式研究方案与传统研究方案的研究效果相差最大，最大值为43%。因此，小直径敞开式的TBM卡机脱困技术运用是合理的。

3 结束语

3.1 结论

ABH引水隧洞Ⅳ标项目工程TBM脱困施工，通过超前固结围岩、刀盘刀座清理以及电液双驱脱困等方法成功地处理了由于刀盘前方、盾体周围围岩坍塌等造成的卡机，为后续积极应对小直径敞开式TBM在施工过程中出现的这类问题积累了宝贵施工经验，亦可在同类工程中推广应用。

3.2 未来展望

开展TBM卡机脱困技术研究，科学预测破坏机理，能够为穿越断层破碎带施工提供理论支持。虽然该技术具有较高研究效果，但是对于围岩变形状况，还有待分析。因此，在未来研究中，需要针对围岩变形的TBM卡机脱困技术进行深入分析，进而提出更加合理的方案，保障施工方案的有效实施。